第八章 反胶束萃取PPT讲稿.ppt

第八章第八章 反胶束萃取反胶束萃取第1页，共114页，编辑于2022年，星期三第八章第八章 反胶束萃取反胶束萃取 二是萃取剂问题，蛋白质分子表面二是萃取剂问题，蛋白质分子表面带有许多电荷，普通的离子缔合型带有许多电荷，普通的离子缔合型萃取剂很难奏效。因此研究和开发萃取剂很难奏效。因此研究和开发易于工业化的、高效的生化物质分易于工业化的、高效的生化物质分离方法己成为当务之急。离方法己成为当务之急。反胶束萃取法就是在这一背景下反胶束萃取法就是在这一背景下发展起来的一种新型分离技术。发展起来的一种新型分离技术。第2页，共114页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概概 述述一、反胶团一、反胶团(Reversed Micelles)两两性性表表面面活活性性剂剂在在非非极极性性有有机机溶溶剂剂中中亲亲水水性性基基团团自自发发地地向向内内聚聚集集而而成成的的，内内含含微微小小水水滴滴的的，空空间间尺尺度度仅仅为为纳纳米米级级的的集集合合型型胶胶体体。是是一一种种自自我我组组织织和和排排列列而而成成的的，并并具具热热力力学学稳稳定定的的有序构造。有序构造。第3页，共114页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概概 述述二、反胶团的特异性功能：二、反胶团的特异性功能：(1)具具有有分分子子识识别别并并允允许许选选择择性性透透过的半透膜的功能；过的半透膜的功能；(2)在在疏疏水水性性环环境境中中具具有有使使亲亲水水性性大大分分子子如如蛋蛋白白质质等等保保持持活活性性的的功功能。能。第4页，共114页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概概 述述三、优点三、优点 (1)有很高的萃取率和反萃取率并有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性；具有选择性；(2)分分离离、浓浓缩缩可可同同时时进进行行，过过程程简便；简便；(3)能能解解决决蛋蛋白白质质(如如胞胞内内酶酶)在在非非细细胞环境中迅速失活的问题；胞环境中迅速失活的问题；第5页，共114页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概概 述述 (4)由由于于构构成成反反胶胶团团的的表表面面活活性性剂剂往往往往具具有有细细胞胞破破壁壁功功效效，因因而而可可直直接接从从完完整整细细胞胞中中提提取取具具有有活活性性的的蛋白质和酶；蛋白质和酶；(5)反反胶胶团团萃萃取取技技术术的的成成本本低低，溶剂可反复使用等。溶剂可反复使用等。第6页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 一、反胶团的构造一、反胶团的构造 1、胶团的形成、胶团的形成 向水溶液中加入表面活性剂，当表向水溶液中加入表面活性剂，当表面活性剂的浓度超过一定的数值时，面活性剂的浓度超过一定的数值时，表面活性剂就会在水相中形成胶体表面活性剂就会在水相中形成胶体或微胶团，它是表面活性剂的聚集或微胶团，它是表面活性剂的聚集体。体。第7页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 将表面活性剂溶于水中，当其浓将表面活性剂溶于水中，当其浓度超过临界胶束浓度度超过临界胶束浓度(CMC)时，表时，表面活性剂就会在水溶液中聚集在一面活性剂就会在水溶液中聚集在一起而形成聚集体，在通常情况下，起而形成聚集体，在通常情况下，这种聚集体是水溶液中的胶束，称这种聚集体是水溶液中的胶束，称为正常胶束为正常胶束(normal micelle)。第8页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 在胶束中，表面活性剂的排列方向在胶束中，表面活性剂的排列方向是极性基团在外，与水接触，非极性是极性基团在外，与水接触，非极性基团在内，形成一个非极性的核心、基团在内，形成一个非极性的核心、在此核心可以溶解非极性物质。在此核心可以溶解非极性物质。第9页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成2、反胶团的形成、反胶团的形成 当向非极性溶剂中加入表面活当向非极性溶剂中加入表面活性剂时，如表面活性剂的浓度超性剂时，如表面活性剂的浓度超过一定的数值时，也会在非极性过一定的数值时，也会在非极性溶剂内形成表面活性剂的聚集体。溶剂内形成表面活性剂的聚集体。第10页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 与在水相中不同的是，非极性溶与在水相中不同的是，非极性溶剂内形成的表面活性剂聚集体，其剂内形成的表面活性剂聚集体，其疏水性的非极性尾部向外，指向非疏水性的非极性尾部向外，指向非极性溶剂，而极性头向内，与在水极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相反，因而相中形成的微胶团方向相反，因而称之为反胶团或反向胶团称之为反胶团或反向胶团 第11页，共114页，编辑于2022年，星期三第12页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 图图8-1是是几几种种可可能能的的表表面面活活性性剂剂聚聚集集体体的的微微观观构构造造。在在反反胶胶团团中中有有一一个个极极性性核核心心，。它它包包括括由由表表面面活活性性剂剂极极性性端端组组成成的的内内表表面面、平平衡衡离离子子和和水水。此此极极性性核核具具有有溶溶解解极极性性物物质质的的能能力力，极极性性核核溶溶解解水水后后，就就形形成成了了“水池水池”(water pool)。第13页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 这这个个“水水池池”具具有有极极性性，可可以以溶溶解解具具有有极极性性的的分分子子和和亲亲水水性性的的生生物物大大分分子子，而而极极性性分分子子和和/或或亲亲水水性性的的生生物物大大分分子子也也因因此此可可“溶溶解解”在在非极性的有机溶剂中。非极性的有机溶剂中。第14页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 如蛋白质及其他亲水物质能够通过如蛋白质及其他亲水物质能够通过螯合作用进入此螯合作用进入此“水池水池”。由于周围水。由于周围水层和极性基团的保护，保持了蛋白质的层和极性基团的保护，保持了蛋白质的天然构型，不会造成失活。天然构型，不会造成失活。第15页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成二、表面活性剂二、表面活性剂 表面活性剂的存在是构成反胶团的表面活性剂的存在是构成反胶团的必要条件。必要条件。1、表面活性剂的组成、表面活性剂的组成 表面活性剂是由亲水憎油的极表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团两性基团和亲油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。部分组成的两性分子。第16页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成2、表面活性剂的种类、表面活性剂的种类（1）阴离子表面活性剂；）阴离子表面活性剂；（2）阳离子表面活性剂；）阳离子表面活性剂；（3）非离子型表面活性剂。）非离子型表面活性剂。它们都可用于形成反胶束。它们都可用于形成反胶束。第17页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成3、常见表面活性剂、常见表面活性剂 AOT、CTAB(溴代十六烷基三甲溴代十六烷基三甲铵铵)、TOMAC(氯化三辛基甲铵氯化三辛基甲铵)、PTEA(磷脂酰乙醇胺磷脂酰乙醇胺)，其中以，其中以AOT最为常用。最为常用。而常用于反胶团萃取系统的非极性而常用于反胶团萃取系统的非极性有机溶剂有环己烷、庚烷、辛烷、异有机溶剂有环己烷、庚烷、辛烷、异辛烷、己醇、硅油等。辛烷、己醇、硅油等。第18页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成（1）阴离子型）阴离子型 在在反反胶胶束束萃萃取取蛋蛋白白质质的的研研究究中中，用用得得最最多多的的是是阴阴离离子子表表面面活活性性剂剂AOT(AerosolOT)，其其化化学学名名为为丁丁二二酸酸2乙乙基基己己基基磺磺酸酸钠钠，结构式见图。结构式见图。第19页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成第20页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 这种表面活性剂容易获得，其特这种表面活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性基团较小、形点是具有双链，极性基团较小、形成反胶束时不需加助表面活性剂，成反胶束时不需加助表面活性剂，并且所形成的反胶束较大，半径为并且所形成的反胶束较大，半径为170nm，有利于大分子蛋白质进入。，有利于大分子蛋白质进入。第21页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成（2）阳离子型）阳离子型 CTAB(cetyl-methyl-ammonium bromide)溴化十六烷基溴化十六烷基三甲胺三甲胺/十六烷基三甲基胺溴十六烷基三甲基胺溴第22页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成DDAB(didodecyldimethyl ammonium bromide)溴化十二烷基溴化十二烷基二甲铵二甲铵第23页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶反胶团的形成团的形成TOMAC(triomethyl-ammonium chloride)氯氯化三辛基甲化三辛基甲铵铵第24页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 将阳离子表面活性剂如将阳离子表面活性剂如CTAB溶于溶于有机溶剂形成反胶束时，与有机溶剂形成反胶束时，与AOT不不同，还需加入一定量的助溶剂同，还需加入一定量的助溶剂(助表助表面活性剂面活性剂)。这是因为它们在结构上。这是因为它们在结构上的差异造成的。的差异造成的。第25页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成二、反胶团的物理化学特性及制备二、反胶团的物理化学特性及制备1反胶团的物理化学特性反胶团的物理化学特性 反反胶胶团团的的大大小小与与很很多多因因素素有有关关，如如表表面面活活性性剂剂和和非非极极性性有有机机溶溶剂剂的的种种类类、浓浓度度；操操作作时时体体系系的的温温度度、压压力力；微微小水池中的离子强度等等。小水池中的离子强度等等。第26页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 有有机机溶溶剂剂相相中中的的反反胶胶团团一一般般比比水水相相中中微微胶胶团团的的空空间间尺尺寸寸小小得得多多，通通常常为为球球形形，有有些些情情况况下下也也可可能能成为椭球形或棒形。成为椭球形或棒形。第27页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成(1)反胶团的临界胶团浓度反胶团的临界胶团浓度 将表面活性剂在非极性有机溶剂将表面活性剂在非极性有机溶剂相中能形成反胶团的最小浓度称为相中能形成反胶团的最小浓度称为临界胶团浓度临界胶团浓度(Critical Micelle Concentration，有时简称，有时简称CMC)，第28页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 这是体系特性，与表面活性剂的这是体系特性，与表面活性剂的化学结构、溶剂、温度和压力等因化学结构、溶剂、温度和压力等因素有关。素有关。在有机溶剂中反胶团的表面活在有机溶剂中反胶团的表面活性剂分子缔合数，与水溶液系统相性剂分子缔合数，与水溶液系统相比要小，而且疏水性的碳链越长缔比要小，而且疏水性的碳链越长缔合数越小。合数越小。第29页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 CMC的数值可通过测定各种物理的数值可通过测定各种物理性质的突变性质的突变(如表面张力、渗透压等如表面张力、渗透压等)来确定。由于实验方法不同，所得的来确定。由于实验方法不同，所得的CMC值往往难于完全一致，但是突值往往难于完全一致，但是突变点总是落在一个很窄的浓度范围内，变点总是落在一个很窄的浓度范围内，故用故用CMC范围来表示更为方便。范围来表示更为方便。第30页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 反胶团不能理解为一成不变的刚反胶团不能理解为一成不变的刚性球，它的生成或解体、缔合数增性球，它的生成或解体、缔合数增大或减小以及各反胶团之间的相互大或减小以及各反胶团之间的相互作用速度很快，即反胶团的构成分作用速度很快，即反胶团的构成分子间能发生重组现象，其过渡时间子间能发生重组现象，其过渡时间很短，最大也仅为很短，最大也仅为10-5 s。第31页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成(2)反胶团含水率反胶团含水率W 反胶团的大小以及反胶团内微水相反胶团的大小以及反胶团内微水相 的物理化学性质因反胶团含水率的物理化学性质因反胶团含水率W的不同而差别很大。的不同而差别很大。W用水用水 和表面和表面活性剂的浓度之比来定义，即：活性剂的浓度之比来定义，即：第32页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成如表面活性剂是如表面活性剂是AOT，则：，则：W是个非常重要的参数，是个非常重要的参数，W越大，反胶越大，反胶团的半径越大。团的半径越大。“水池水池”越大，越大，“水池水池”大小与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、大小与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、温度、离子强度等因素有关，一般为温度、离子强度等因素有关，一般为520nm，其内水池的直径，其内水池的直径d用下式计算。用下式计算。第33页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 W 含水率（含水率（water content）;M，分别为水的相对分子质量和密度分别为水的相对分子质量和密度;surf 界面处一个表面活性剂分子的面积界面处一个表面活性剂分子的面积;N 阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数 AOT在异辛烷中形成的反胶团直径在异辛烷中形成的反胶团直径(d)可用下可用下述经验式推算述经验式推算 d=0.3W+0.24 (nm)d=6WMsurfN第34页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 反胶团反胶团“水池水池”中的水与普通的中的水与普通的水在性质上是有差异的。当水在性质上是有差异的。当W16时时，“水水池池”中中的的水水逐逐渐渐接接近近主主体体水水相相粘粘度度，胶胶团内也形成二重电荷层团内也形成二重电荷层第37页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 但即使当但即使当W值很大时，水池内水值很大时，水池内水的理化性质也不能与正常的水完全的理化性质也不能与正常的水完全相同，特别是在接近表面活性剂亲相同，特别是在接近表面活性剂亲水头的区域内。水头的区域内。见图见图8-3。第38页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 当蛋白质分子与反胶团直径相比大当蛋白质分子与反胶团直径相比大得多时得多时(例如，当相对分子质量超过例如，当相对分子质量超过100200kD)，难于溶解到反胶团中。，难于溶解到反胶团中。当反胶团的含水率当反胶团的含水率W较低时，反胶较低时，反胶团水池内水的理化性质与正常水相团水池内水的理化性质与正常水相差悬殊差悬殊。第39页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成第40页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成2反胶团的制备反胶团的制备 制备反胶团系统一般有以下三种方法：制备反胶团系统一般有以下三种方法：(1)注入法注入法 将将含含有有蛋蛋白白质质的的水水溶溶液液直直接接注注入入到到含含有有表表面面活活性性剂剂的的非非极极性性有有机机溶溶剂剂中中去去，然然后后进进行行搅搅拌拌直直到到形形成成透透明明的的溶溶液液为为止止。这这种种方方法法的的过过程程较较快快并并可可较较好好地地控控制制反反胶胶团团的的平平均均直直径径和和含含水水量。量。第41页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成(2)相转移法相转移法 将将酶酶或或蛋蛋白白质质从从主主体体水水相相转转移移到到含含表表面面活活性性剂剂的的非非极极性性有有机机溶溶剂剂中中形成反胶团形成反胶团蛋白质溶液。蛋白质溶液。第42页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成 即即将将含含蛋蛋白白质质的的水水相相与与含含表表面面活活性性剂剂的的有有机机相相接接触触，在在缓缓慢慢的的搅搅拌拌下下，一一部部分分蛋蛋白白质质转转入入(萃萃入入)有有机机相相。此此过过程程较较慢慢，但但最最终终的的体体系系处处于于稳稳定定的的热热力力学学平平衡衡状状态态，这这种种方方法法可可在在有有机机溶溶剂相中获得较高的蛋白质浓度。剂相中获得较高的蛋白质浓度。第43页，共114页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 反胶团的形成反胶团的形成(3)溶解法溶解法 对非水溶性蛋白质可用该法。将含对非水溶性蛋白质可用该法。将含有反胶团有反胶团(W3-30)的有机溶液与蛋的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌，使蛋白质进白质固体粉末一起搅拌，使蛋白质进入反胶团中，该法所需时间较长。含入反胶团中，该法所需时间较长。含蛋白质的反胶团也是稳定的，这也说蛋白质的反胶团也是稳定的，这也说明反胶团明反胶团“水池水池”中的水与普通水的中的水与普通水的性质是有区别的。性质是有区别的。第44页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩一、反胶团萃取原理一、反胶团萃取原理 从从宏宏观观上上看看反反胶胶团团萃萃取取，是是有有机机相相-水水相相间间的的分分配配萃萃取取，和和普普通通的的液液液液萃萃取取在在操操作作上上具具有有相相同同特特征征。微微观观上上，如如图图8-4所所示示，是是从从主主体体水水相相向向溶溶解解于于有有机机溶溶剂剂相相中中纳纳米米级级的的、均均一一且且稳稳定定的的、分分散散的的反反胶胶团团微微水水相中的分配萃取。相中的分配萃取。第45页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第46页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 其特点是萃取进入有机相的生物其特点是萃取进入有机相的生物大分子被表面活性分子所屏蔽，从大分子被表面活性分子所屏蔽，从而避免了与有机溶剂相直接接触而而避免了与有机溶剂相直接接触而引起的变性、失活。引起的变性、失活。第47页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 pH、离子强度、表面活性剂浓度、离子强度、表面活性剂浓度等等(如表如表8-1所示所示)因素会对反胶团萃因素会对反胶团萃取产生影响。通过对它们的调整，取产生影响。通过对它们的调整，对分离场对分离场(反胶团反胶团)-待分离物质待分离物质(生物生物大分子等大分子等)的相互作用加以控制，能的相互作用加以控制，能实现对目的物质高选择性的萃取和实现对目的物质高选择性的萃取和反萃取。反萃取。第48页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第49页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 另另外外，因因有有机机相相内内反反胶胶团团中中微微水水相相体体积积最最多多仅仅占占有有机机相相的的几几个个百百分分点点，所所以以它它同同时时也也是是一一个个浓浓缩缩操操作作。如如后后所所述述，只只要要直直接接添添加加盐盐类类，就就可可能能从从已已和和主主体体水水相相分分开开的的有有机机相相中中分分离离出出含含有有目目的的物物的的浓浓稠稠水水溶溶液液，操作上非常简单。操作上非常简单。第50页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩1、三元相图及萃取蛋白质三元相图及萃取蛋白质 对对一一个个由由水水、表表面面活活性性剂剂和和非非极极性性有有机机溶溶剂剂构构成成的的三三元元系系统统，存存在在有有多多种种共共存存相相，可可用用三三元元相相图图表表示示，图图是是水水AOT异异辛辛烷烷系系统统的的相相图图示例。示例。第51页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩水水AOT异辛烷系统相图异辛烷系统相图反胶束萃取蛋白质的示意团反胶束萃取蛋白质的示意团第52页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 从图中可知，能用于蛋白质分离从图中可知，能用于蛋白质分离的仅是位于底部的两相区，在此区的仅是位于底部的两相区，在此区内的三元混合物分为平衡的两相：内的三元混合物分为平衡的两相：一相是含有极少量有机溶剂和表一相是含有极少量有机溶剂和表面活性剂的水相；面活性剂的水相；一相是作为萃取剂的反胶束溶液。一相是作为萃取剂的反胶束溶液。第53页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 这共存的两相组成，用系线这共存的两相组成，用系线(图中图中虚线虚线)相连。这一体系的物理化学性相连。这一体系的物理化学性质非常适合于萃取操作，因为界面质非常适合于萃取操作，因为界面张力在张力在0.12mN/m范围内，密度差范围内，密度差为为10-20，反胶束溶液粘度适中，反胶束溶液粘度适中，大约为大约为1mPas这一数量级。这一数量级。第54页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩 蛋白质进入反胶束溶液是一种协同蛋白质进入反胶束溶液是一种协同过程，即在宏观两相过程，即在宏观两相(有机相和水相有机相和水相)界面间的表面活性剂层，同邻近的界面间的表面活性剂层，同邻近的蛋白质发生静电作用而变形，接着蛋白质发生静电作用而变形，接着在两相界面形成了包含有蛋白质的在两相界面形成了包含有蛋白质的反胶束，此反胶束扩散进入有机相反胶束，此反胶束扩散进入有机相中，从而实现了蛋白质的萃取中，从而实现了蛋白质的萃取第55页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩2、蛋白质溶入反胶束溶液的推动力蛋白质溶入反胶束溶液的推动力与分配特性与分配特性（1）推动力）推动力 蛋白质溶入反胶束溶液的推动力蛋白质溶入反胶束溶液的推动力主要包括表面活性剂与蛋白质的静主要包括表面活性剂与蛋白质的静电作用力和位阻效应。电作用力和位阻效应。第56页，共114页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩静电作用力：静电作用力：在反胶束萃取体系中，表面活性在反胶束萃取体系中，表面活性剂与蛋白质都是带电的分子，因此剂与蛋白质都是带电的分子，因此静电相互作用肯定是萃取过程中的静电相互作用肯定是萃取过程中的一种推动力。一种推动力。第57页，共114页，编辑于2022年，星期三 其中一个最直接的因素是其中一个最直接的因素是pH值，值，它决定了蛋白质带电基团的离解速它决定了蛋白质带电基团的离解速率及蛋白质的净电荷。当率及蛋白质的净电荷。当pHpI时，时，蛋白质呈电中性；蛋白质呈电中性；pHpI时，蛋白时，蛋白质带正电荷；质带正电荷；pHpI时，蛋白质带时，蛋白质带负电荷。负电荷。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第58页，共114页，编辑于2022年，星期三 即随着即随着pH的改变，被萃取蛋白质所的改变，被萃取蛋白质所带电荷的符号和多少是不同的。因此，带电荷的符号和多少是不同的。因此，如果静电作用是蛋白质增溶过程的主如果静电作用是蛋白质增溶过程的主要推动力，对于阳离子表面活性剂形要推动力，对于阳离子表面活性剂形成的反胶束体系，萃取只发生在水溶成的反胶束体系，萃取只发生在水溶液的液的pHpI时，此时蛋白质与表面活时，此时蛋白质与表面活性剂极性头间相互吸引，而性剂极性头间相互吸引，而pHpI时，时，静电排斥将抑制蛋白质的萃取；静电排斥将抑制蛋白质的萃取；第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第59页，共114页，编辑于2022年，星期三 对于阴离子表面活性剂形成的反对于阴离子表面活性剂形成的反胶束体系，情况正好相反。此外，胶束体系，情况正好相反。此外，离子型表面活性剂的反离子并不都离子型表面活性剂的反离子并不都固定在反胶束表面。固定在反胶束表面。改变水相条件改变水相条件(如如pH值和离子种值和离子种类及其强度等类及其强度等)又可使蛋白质由有机又可使蛋白质由有机相重新返回水相实现反萃取过程。相重新返回水相实现反萃取过程。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第60页，共114页，编辑于2022年，星期三 位阻效应位阻效应 许多亲水性物质，如蛋白质、核许多亲水性物质，如蛋白质、核酸及氨基酸等，都可以通过溶入反酸及氨基酸等，都可以通过溶入反胶束胶束“水池水池”来达到它们溶于非水来达到它们溶于非水溶剂中的目的。溶剂中的目的。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第61页，共114页，编辑于2022年，星期三 但是反胶束但是反胶束“水池水池”的物理性的物理性(大小、形状等大小、形状等)及其中水的活度是及其中水的活度是可以用可以用W的变化来调节的，并且会的变化来调节的，并且会影响大分子如蛋白质的增溶或排斥，影响大分子如蛋白质的增溶或排斥，达到选择性萃取的目的，这就是所达到选择性萃取的目的，这就是所谓的位阻效应。谓的位阻效应。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第62页，共114页，编辑于2022年，星期三（2）反胶束萃取中蛋白质的分配特性反胶束萃取中蛋白质的分配特性蛋白质在两相间的分配系数蛋白质在两相间的分配系数第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第63页，共114页，编辑于2022年，星期三反胶束浓度反胶束浓度M与表面活性剂浓度与表面活性剂浓度Ssurf的关系为的关系为M=Ssurf/N(N为聚焦数为聚焦数)第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第64页，共114页，编辑于2022年，星期三 3、反胶束萃取蛋白质的动力学、反胶束萃取蛋白质的动力学 研究萃取和反萃取过程的动力学研究萃取和反萃取过程的动力学可为人们提供界面作用机制，从蛋可为人们提供界面作用机制，从蛋白质在两相间的扩散动力学，可找白质在两相间的扩散动力学，可找到萃取过程的控制步骤，对合理设到萃取过程的控制步骤，对合理设计萃取系统和装置具有理论指导意计萃取系统和装置具有理论指导意义。义。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第65页，共114页，编辑于2022年，星期三（1 1）传递步骤）传递步骤 萃取过程萃取过程 蛋白质在互不相溶的两相间的传递可分为三蛋白质在互不相溶的两相间的传递可分为三步：步：蛋白质从水溶液主体扩散到界面；蛋白质从水溶液主体扩散到界面；在界面形成包容蛋白质的反胶束；在界面形成包容蛋白质的反胶束；含有蛋白质的反胶束在有机相中扩散离开界面。含有蛋白质的反胶束在有机相中扩散离开界面。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第66页，共114页，编辑于2022年，星期三反萃取过程反萃取过程 反萃过程同样有三步：反萃过程同样有三步：含有蛋白质的反胶束从有机相主体含有蛋白质的反胶束从有机相主体扩散到界面；扩散到界面；包容蛋白质的反胶束在界面崩裂；包容蛋白质的反胶束在界面崩裂；蛋白质从界面扩散到水溶液主体。蛋白质从界面扩散到水溶液主体。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第67页，共114页，编辑于2022年，星期三（2 2）动力学方程）动力学方程 蛋白质进入或离开反胶束相的传递通量可蛋白质进入或离开反胶束相的传递通量可用下式计算：用下式计算：萃取过程萃取过程反萃取过程反萃取过程第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第68页，共114页，编辑于2022年，星期三 式中式中Kf、Kr分别为萃取及反萃取过分别为萃取及反萃取过程的表观传质系数；程的表观传质系数；Cw、C0分别为水分别为水相和有机相中蛋白质浓度；相和有机相中蛋白质浓度；m为萃取的为萃取的分配系数；分配系数；m为反萃取的分配系数；为反萃取的分配系数；t为时间。为时间。可以通过实验求得传质系数，从总可以通过实验求得传质系数，从总传质系数和分传质系数的大小可以判传质系数和分传质系数的大小可以判断过程控制的类型。断过程控制的类型。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第69页，共114页，编辑于2022年，星期三（3）萃取和反萃取的过程控制）萃取和反萃取的过程控制 三种类型：三种类型：反应反应(包括相内反应和界面反应包括相内反应和界面反应)控制控制过程；过程；扩散扩散(或传质或传质)控制过程；控制过程；混合控制过程。混合控制过程。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第70页，共114页，编辑于2022年，星期三萃取过程萃取过程 速率是由扩散传输机制控制的。速率是由扩散传输机制控制的。Dekker等在等在TOMAC反胶束萃取反胶束萃取淀粉酶时，证实了萃取过程的速率决淀粉酶时，证实了萃取过程的速率决定于淀粉酶在水相边界层的扩散速度。定于淀粉酶在水相边界层的扩散速度。蛋白质的大小、所带电荷种类和蛋白质的大小、所带电荷种类和电荷密度对萃取的快慢有重大影响。电荷密度对萃取的快慢有重大影响。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第71页，共114页，编辑于2022年，星期三 在在TOMAC/庚烷体系中萃取和反萃庚烷体系中萃取和反萃取苯丙氨酸的动力学特征时，通过对取苯丙氨酸的动力学特征时，通过对传递通量方程进行非线性回归分析计传递通量方程进行非线性回归分析计算，得到前萃取过程的界面反应动力算，得到前萃取过程的界面反应动力学常数学常数8000cm4/mol.min,误差率误差率1000%。表明界面反应速度非常快，表明界面反应速度非常快，萃取过程由扩散控制。萃取过程由扩散控制。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第72页，共114页，编辑于2022年，星期三反萃取过程反萃取过程 主要由界面反应过程控制。主要由界面反应过程控制。增大离子强度，即增大了增大离子强度，即增大了AOT反反胶束的刚性和稳定性，使界面作用过胶束的刚性和稳定性，使界面作用过程变慢，反萃速率降低。这说明了萃程变慢，反萃速率降低。这说明了萃取与反萃取的控制过程是不同的。由取与反萃取的控制过程是不同的。由于界面作用过程较慢，一般反萃取平于界面作用过程较慢，一般反萃取平衡所需时间要比萃取过程长。衡所需时间要比萃取过程长。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第73页，共114页，编辑于2022年，星期三二、反胶团的溶解作用二、反胶团的溶解作用 由于反胶团内存在微水池，故可由于反胶团内存在微水池，故可溶解氨基酸、肽和蛋白质等生物分溶解氨基酸、肽和蛋白质等生物分子，为生物分子提供易于生存的亲子，为生物分子提供易于生存的亲水微环境。水微环境。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第74页，共114页，编辑于2022年，星期三 关于反胶团溶解蛋白质的形式，关于反胶团溶解蛋白质的形式，有人提出了四种模型，如图所示。有人提出了四种模型，如图所示。(a)为水壳模型，蛋白质位于水池为水壳模型，蛋白质位于水池的中心，周围存在的水层将其与反的中心，周围存在的水层将其与反胶团壁胶团壁(表面活性剂表面活性剂)隔开；隔开；第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第75页，共114页，编辑于2022年，星期三(b)蛋白质分子表面存在强烈疏水区域，蛋白质分子表面存在强烈疏水区域，该疏水区域直接与有机相接触；该疏水区域直接与有机相接触；(c)蛋白质吸附于反胶团内壁；蛋白质吸附于反胶团内壁；(d)蛋白质的疏水区与几个反胶团的表蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏水尾发生相互作用，被面活性剂疏水尾发生相互作用，被几个小反胶团所几个小反胶团所“溶解溶解”。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第76页，共114页，编辑于2022年，星期三bcda第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第77页，共114页，编辑于2022年，星期三 表面性质不同的蛋白质可能以不表面性质不同的蛋白质可能以不同的形式溶解于反胶团相，但对于同的形式溶解于反胶团相，但对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是亲水性蛋白质，目前普遍接受的是水壳模型。因为许多实验数据均间水壳模型。因为许多实验数据均间接地证明了水壳模型的正确性。接地证明了水壳模型的正确性。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第78页，共114页，编辑于2022年，星期三例如：例如：(1)反胶团内酶的结构和活性与反胶团内酶的结构和活性与W值密切值密切相关，说明酶对其周围存在的水层非相关，说明酶对其周围存在的水层非常敏感；常敏感；(2)反胶团内酶反应动力学行为与在正反胶团内酶反应动力学行为与在正常的水相中相似，活性与常的水相中相似，活性与pH的关系同的关系同样表现为钟状曲线。样表现为钟状曲线。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第79页，共114页，编辑于2022年，星期三三、三、影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作用，以和反胶束内表面电荷间的静电作用，以及反胶束的大小有关。所以，任何可以及反胶束的大小有关。所以，任何可以增强这种静电作用或导致形成较大的反增强这种静电作用或导致形成较大的反胶束的因素，都有助于蛋白质的萃取。胶束的因素，都有助于蛋白质的萃取。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第80页，共114页，编辑于2022年，星期三 只要通过对这些因素进行系统的只要通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得研究，确定最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白质萃取率，从而到合适的目标蛋白质萃取率，从而达到分离纯化的目的。达到分离纯化的目的。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第81页，共114页，编辑于2022年，星期三第82页，共114页，编辑于2022年，星期三1、水相、水相pH值对萃取的影响值对萃取的影响 水相的水相的pH值决定了蛋白质表面值决定了蛋白质表面电荷的状态、从而对萃取过程造成电荷的状态、从而对萃取过程造成影响。只有当反胶束内表面电荷，影响。只有当反胶束内表面电荷，也就是表面活性剂极性基团所带的也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时，两电荷与蛋白质表面电荷相反时，两者产生静电引力，蛋白质才有可能者产生静电引力，蛋白质才有可能进入反胶束。进入反胶束。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第83页，共114页，编辑于2022年，星期三 对于阳离子表面活性剂、溶液的对于阳离子表面活性剂、溶液的pH值需高值需高于蛋白质的于蛋白质的pI值，反胶束萃取才能进行；值，反胶束萃取才能进行；对于阴离子表面活性剂，当对于阴离子表面活性剂，当pHpI时，萃取时，萃取率几乎为零，当率几乎为零，当pHpI时，萃取率急剧提高，时，萃取率急剧提高，这表明蛋白质所带的净电荷与表面活性剂极性这表明蛋白质所带的净电荷与表面活性剂极性头所带电荷符号相反，两者的静电作用对萃取头所带电荷符号相反，两者的静电作用对萃取蛋白质有利。蛋白质有利。第三节第三节 生理活性物质的分离浓缩生理活性物质的分离浓缩第84页，共114页，编辑于2022年，星期三 如果如果p